(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外形がリング状であり、活性層と、前記活性層の両側に形成された第１および第２クラッド層と、前記第１および第２クラッド層上に形成された第１および第２コンタクト層と、前記第１クラッド層の一方の側壁と前記第２クラッド層の他方の側壁が選択的に改質され、前記第１および第２クラッド層の屈折率より低い屈折率を有する第１および第２改質層を含む半導体層と、
前記第１および第２コンタクト層に電気的に接続された第１および第２電極と、
を具備することを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記第１クラッド層の外周側壁が前記第１改質層に選択的に改質され、前記第２クラッド層の内周側壁が前記第２改質層に選択的に改質されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記第１クラッド層の内周側壁が前記第１改質層に選択的に改質され、前記第２クラッド層の外周側壁が前記第２改質層に選択的に改質されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記第１および第２改質層が、前記活性層を挟むようにオーバラップしていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記第１および第２改質層は、前記第１および第２クラッド層の側壁が選択的に酸化された層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記第１および第２改質層は、電気的な絶縁性を有することを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ。
【請求項７】
前記半導体層は、前記リング状の外周に沿って周回する光の共振器であり、前記共振器が基板上に設けられた光導波路と光学的に結合するように前記基板に搭載されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項８】
前記活性層は、井戸層と障壁層が交互に積層された多重量子井戸層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項９】
前記活性層と前記第１および第２クラッド層との間に、第１および第２光閉じ込め層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項１０】
前記半導体層がリング状であり、前記第２電極がリング状の前記第２コンタクト層の一部と接続されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
大規模集積回路（ＬＳＩ：Large Scale Integration）では、微細化、高集積化による配線抵抗および配線間容量の増大による配線遅延時間の増大に対処するために、光配線技術が注目されている。
【０００３】
従来、光配線技術における小型の光源として、マイクロリング共振器構造の半導体レーザが知られている。然しながら、この種の半導体レーザでは、リング内部を周回してレーザ発振する光の強度分布がリングの側壁近傍に偏在する。
【０００４】
その結果、側壁のラフネスに起因した光散乱による光損失、側壁のダメージに起因した表面トラップ準位や表面再結合によるキャリア損失が大きくなるという問題がある。
【０００５】
また、大規模集積回路に半導体レーザを搭載するために、半導体レーザは薄膜化される。その結果、内部の光強度分布と高濃度コンタクト層および電極とのオーバラップが大きくなるので、高濃度コンタクト層および電極に起因した光損失が大きくなるという問題がある。
【０００６】
従って、十分なレーザ発振特性が得られないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３３５５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、外形が円形状であり、十分なレーザ発振特性を有する半導体レーザを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一つの実施形態によれば、半導体レーザでは、半導体層は外形がリング状であり、活性層と、前記活性層の両側に形成された第１および第２クラッド層と、前記第１および第２クラッド層上に形成された第１および第２コンタクト層と、前記第１クラッド層の一方の側壁と前記第２クラッド層の他方の側壁が選択的に改質され、前記第１および第２クラッド層の屈折率より低い屈折率を有する第１および第２改質層を含んでいる。第１および第２電極が前記第１および第２コンタクト層に電気的に接続されている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１に係る半導体レーザを示す断面斜視図。
【図２】実施例１に係る半導体レーザの半径と散乱損失の関係を説明するための図。
【図３】実施例１に係る半導体レーザの光強度分布を示す図。
【図４】実施例１に係る半導体レーザの光出力特性を示す図。
【図５】実施例１に係る半導体レーザの製造工程を順に示す断面図。
【図６】実施例１に係る半導体レーザの製造工程を順に示す断面図。
【図７】実施例１に係る半導体レーザの製造工程を順に示す断面図。
【図８】実施例１に係る半導体レーザの製造工程を順に示す断面図。
【図９】実施例１に係る別の半導体レーザを示す断面斜視図。
【図１０】実施例１に係る別の半導体レーザを示す断面斜視図。
【図１１】実施例１に係る別の半導体レーザを示す断面斜視図。
【図１２】実施例２に係る半導体レーザを示す断面図。
【図１３】実施例２に係る半導体レーザの光強度分布を示す図。
【図１４】実施例２に係る半導体レーザの光出力特性を示す図。
【図１５】実施例２に係る半導体レーザの製造工程を順に示す断面図。
【図１６】実施例２に係る半導体レーザの製造工程を順に示す断面図。
【図１７】実施例２に係る半導体レーザの製造工程を順に示す断面図。
【図１８】実施例２に係る別の半導体レーザを示す断面図。
【図１９】実施例３に係る半導体レーザを示す断面図。
【図２０】実施例３に係る別の半導体レーザを示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１２】
本実施例に係る半導体レーザについて図１を用いて説明する。本実施例は、半導体基板上に設けられた光導波路と光学的に結合するように半導体基板に搭載されたリング状の半導体レーザの例である。
【００１３】
図１に示すように、本実施例の半導体レーザ１０では、半導体層１１は、活性層１２と、活性層１２の両面に形成された第１および第２光閉じ込め層１３ａ、１３ｂと、第１および第２光閉じ込め層１３ａ、１３ｂ上に形成された第１および第２クラッド層１４ａ、１４ｂと、第１および第２クラッド層１４ａ、１４ｂ上に形成された第１および第２コンタクト層１５ａ、１５ｂを有している。
【００１４】
半導体層１０のうち、第１コンタクト層１５ａは平板状であり、活性層１２、第１および第２光閉じ込め層１３ａ、１３ｂ、第１および第２クラッド層１４ａ、１４ｂおよび第２コンタクト層１５ｂはリング状である。
【００１５】
平板状の第１コンタクト層１５ａ上に、リング状の第１クラッド層１４ａ、第1光閉じ込め層１３ａ、活性層１２、第２光閉じ込め層１３ｂ、第２クラッド層１４ｂ、第２コンタクト層１５ｂがこの順に形成されている。従って、第１コンタクト層１５ａは、リングの内側および外側まで延在している。
【００１６】
第１クラッド層１４ａは、外周側壁および内周側壁が熱酸化されて第１クラッド層１４ａの屈折率より低い屈折率を有する第１改質層１４ｃに改質されている。従って、第１クラッド層１４ａは、内周部および外周部の改質層１４ｃに挟まれた中央部が本来の第１クラッド層として機能する。
【００１７】
同様に、第２クラッド層１４ｂは、外周側壁および内周側壁が熱酸化されて第２クラッド層１４ｂの屈折率より低い屈折率を有する第２改質層１４ｄに改質されている。従って、第２クラッド層１４ｂは、内周部および外周部の改質層１４ｄに挟まれた中央部が本来の第２クラッド層として機能する。
【００１８】
第１コンタクト層１５ａ上に、半導体層１１と同心のリング状の第１電極１７が形成されている。第１電極１７は絶縁膜１８で埋め込まれて、絶縁膜１８の上面にビア（図示せず）を介して引き出されている。
【００１９】
半導体層１１は、第２コンタクト層１５ｂの上面を露出して絶縁膜１８で埋め込まれている。第２コンタクト層１５ｂの上面の内周部および半導体層１１の内側を埋め込む絶縁膜１８上に、円板状の第２電極１９が形成されている。
【００２０】
半導体層１１は円形状の外周に沿って周回する光の共振器であり、共振器が半導体基板（基板）２０上に設けられた光導波路２１と光学的に結合するように半導体基板２０に搭載されている。
【００２１】
光導波路２１は、半導体基板２０上に形成されたクラッド層２２に埋め込まれている。クラッド層２２上に第１コンタクト層１５ａが形成され、光導波路２１の上方に半導体層１１が配置されることにより、共振器が光導波路２１と光学的に結合する。
【００２２】
活性層１２は、例えばアンドープ多重量子井戸層（Multiple Quantum Well）で、厚さ８ｎｍのＩｎＧａＡｓ量子井戸層と、厚さ１０ｎｍのＧａＡｓ障壁層を交互に３層積層し、両側を厚さ４０ｎｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層で挟んだ構造である。
【００２３】
第１および第２光閉じ込め層１３ａ、１３ｂは、例えば厚さ１００ｎｍのｐおよびｎ−ＧａＡｓ層である。第１および第２クラッド層１４ａ、１４ｂは、例えば厚さ３００ｎｍのｐおよびｎ−Ａｌ０．９２Ｇａ０．０８Ａｓ層である。第１および第２コンタクト層１５ａ、１５ｂは、例えば厚さ１０ｎｍのｐおよびｎ−ＧａＡｓ層である。
【００２４】
第１および第２改質層１４ｃ、１４ｄは、第１および第２クラッド層１４ａ、１４ｂを熱酸化して得られる層であり、第１および第２クラッド層１４ａ、１４ｂより低い屈折率と、電気的な絶縁性を有している。
【００２５】
第１電極１７は、例えばＡｕＺｎ合金であり、第２電極１９は、例えばＡｕＧｅ合金である。第１電極がアノード電極、第２電極がカソード電極である。絶縁膜は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）である。
【００２６】
半導体基板２０は、例えばシリコン基板である。クラッド層２２は、例えばシリコン酸化膜である。光導波路２１は、例えばアモルファスシリコン膜である。
【００２７】
半導体層１１は、例えばリングの外径が１０μｍ、内径が５μｍ、厚さが１μｍ程度である。第１電極１７を電源（図示せず）の陽極に接続し、第２電極１９を電源の負極に接続して、半導体層１１に通電すると、活性層１２にキャリアが注入される。注入されたキャリアの再結合により誘導放出が生じる。
【００２８】
誘導放出された光は、第１および第２クラッド層１４ａ、１４ｂと第１および第２改質層１４ｃ、１４ｄの内周側界面および外周側界面の間で交互に全反射を繰り返してリング状の共振器内を周回し、レーザ発振する。破線で示す複数の楕円状のリングは、周回モードの光強度分布２３を模式的に示している。
【００２９】
上述した半導体レーザ１０は、第１および第２クラッド層１４ａ、１４ｂと第１および第２改質層１４ｃ、１４ｄの外周側界面および内周側界面のラフネスおよびダメージを、改質する前の第１および第２クラッド層１４ａ、１４ｂの外周側壁および内周側壁のラフネスおよびダメージより低減して、十分なレーザ発振特性が得られるように構成されている。
【００３０】
更に、半導体レーザ１０は、電気的な絶縁性を有する第１および第２改質層１４ｃ、１４ｄにより電流狭窄構造を実現し、更に十分なレーザ発振特性が得られるように構成されている。
【００３１】
図２は、リング状の半導体層の側壁のラフネスと散乱損失の関係を説明するための図である。図２において、横軸は半導体層のリングの半径、縦軸は散乱損失、ラフネスがパラメータである。ラスネスの単位は、自乗平均粗さ（ＲＭＳ：Root Mean Square）である。
【００３２】
図２に示すように、リングの半径が小さくなるほど散乱損失は急激に増加する。ラフネスが大きくなるほど散乱損失は急激に増加する。一般に、散乱損失はリングの半径に反比例し、ラフネスの２乗に比例する。
【００３３】
例えばリングの半径が５μｍの場合、散乱損失をレーザ発振に必要とされる１ｃｍ−１以下に抑えるためには、ラスネスを５ｎｍ以下にすることが望ましい。
【００３４】
リング状の半導体層をＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法により形成した場合、半導体層の側壁は粗面化し、例えば１０ｎｍ程度のラフネスが生じる。更に、イオンの衝撃によりマイクロクラックや結晶欠陥などのダメージが生じる。
【００３５】
一方、第１および第２クラッド層１４ａ、１４ｂの外周側壁および内周側壁を熱酸化して改質層１４ｃ、１４ｄを形成することにより、第１および第２クラッド層１４ａ、１４ｂと改質層１４ｃ、１４ｄの界面のラフネスおよびダメージを十分に低減させることが可能である。
【００３６】
なお、熱酸化量はダメージの進入深さより大きく、且つ目的のラフネスが得られる値とすることが必要である。
【００３７】
更に、電流狭窄構造により、電流は周回モードの存在する活性層部分へ選択的に注入されるので、電流注入部と光強度分布が一致し、共振器内に形成された周回モードへの利得が増大する。
【００３８】
注入される電流は外周側壁および内周側壁の近傍を流れないので、外周側壁および内周側壁のタメージの影響によるキャリア損失、例えばダメージに起因する非発光センターおよび表面再結合による非発光再結合などが避けられる。その結果、注入電流を有効利用することが可能である。
【００３９】
また、第２電極１９は、第２クラッド層１４ｂの中央より内側にずらして形成されているので、第２電極１９による光吸収損失を低減させることが可能である。
【００４０】
図３は半導体レーザ１０の光強度分布のシミュレーション結果を示す図である。光強度分布は、半導体層１１の断面での周回モードの光強度分布を示している。
【００４１】
図３に示すように、リング状の半導体層１１の外周側壁３１および内周側壁３２の近傍には、光が殆ど存在せず、外周側壁３１および内周側壁３２の内側に周回モードが形成されている。これにより、外周側壁３１および内周側壁３２における光散乱損失が抑制できることが確認された。
【００４２】
図４は、半導体レーザ１０の発振特性を比較例と対比して示す図である。ここで、比較例とは、第１および第２クラッド層１４ａ、１４ｂの外周側壁および内周側壁を改質層１４ｃ、１４ｄに改質していない半導体レーザのことである。始めに比較例について説明する。
【００４３】
図４に示すように、比較例の半導体レーザでは、レーザ発振の閾値Ｉｔｈが約０．３ｍＡ、光出力は入力電流が２ｍＡ前後で傾きが低下する傾向を示し、平均的な光出力特性は約０．１９ｍＷ／ｍＡであった。
【００４４】
一方、本実施例の半導体レーザ１０では、レーザ発振の閾値Ｉｔｈが約０．３ｍＡと、比較例と同程度であるが、光出力は入力電流に対して直線的に増加し、光出力特性は約０．２６ｍＷ／ｍＡと、比較例より約１．３６倍高い値を示した。これにより、外形が円形状であり、十分なレーザ発振特性を有する小型の半導体レーザ１０が得られることが確かめられた。
【００４５】
次に、半導体レーザ１０の製造方法について説明する。図５乃至図８は半導体レーザ１０の製造工程を順に示す断面図である。
【００４６】
図５（ａ）に示すように、半導体基板２０、例えばシリコン基板上に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により厚さ２０００ｎｍ程度のシリコン酸化膜４１を形成する。シリコン酸化膜４１は、光導波路のクラッド層２２の一部となる膜である。
【００４７】
次に、図５（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜４１上に、例えばＣＶＤ法により厚さ３００ｎｍ程度のシリコン層４２を形成する。
【００４８】
次に、図５（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ法およびＲＩＥ法により、シリコン層４２を、例えば幅が３００ｎｍ程度のリッジ状に加工する。このリッジ状のシリコン層４２が、光導波路２１となる。
【００４９】
具体的には、例えば下記のように行う。シリコン層４２を熱酸化して薄いシリコン酸化膜を形成する。この酸化膜上に、フォトリソグラフィ法により光導波路２１に対応するパターンを有するレジスト膜を形成する。このレジスト膜をマスクとして、ＲＩＥ法により、シリコン層４２を異方性エッチングする。
【００５０】
次に、図５（ｄ）に示すように、シリコン酸化膜４１上に、例えばＣＶＤ法により光導波路２１が埋まるように厚さ２μｍ程度のシリコン酸化膜４３を形成し、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により光導波路２１が露出するまでシリコン酸化膜４３を除去する。
【００５１】
このとき、ＣＭＰのストッパー層は特に設けていないので、シリコン層４２およびシリコン酸化膜４３を予め厚目に形成しておき、残厚管理により所定の厚さに調整することが望ましい。これにより、シリコン酸化膜４１、４３は一体化されて、光導波路２１のクラッド層２２となる。
【００５２】
次に、図６（ａ）に示すように、半導体層１１となる半導体多層構造が形成された半導体基板４４を用意する。具体的には、例えば下記のように行う。
【００５３】
まず、ｎ−ＧａＡｓ基板上に、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により、厚さ０．５μｍのｎ−ＧａＡｓバッファ層、厚さ０．１μｍのｎ−ＡｌＧａＡｓエッチングストップ層を形成する。
【００５４】
続いて、厚さ０．０１μｍのｎ―ＧａＡｓコンタクト層、ｎ−Ａｌ０．９２Ｇａ０．０８Ａｓクラッド層、ｎ―ＧａＡｓ光閉じ込め層、アンドープ多重量子井戸活性層、ｐ―ＧａＡｓ光閉じ込め層、ｐ−Ａｌ０．９２Ｇａ０．０８Ａｓクラッド層、厚さ０．０１μｍのｎ―ＧａＡｓコンタクト層をこの順に形成する。
【００５５】
ここで、多重量子井戸活性層は、厚さ８ｎｍのｎ−ＧａＡｓ量子井戸層と、厚さ１０ｎｍのＧａＡｓバリア層を交互に３層積層し、上下を厚さ４０ｎｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層で挟んだ構造である。
【００５６】
ＧａＡｓコンタクト層とクラッド層の間、クラッド層とアンドープ多重量子井戸活性層の間に、ＡｌＧａＡｓグレーデッド層を挿入しても構わない。ＡｌＧａＡｓグレーデッド層は、Ａｌ組成を０．１から０．９２まで徐々に変化させる。
【００５７】
次に、図６（ｂ）に示すように、半導体層１１および光導波路２１を含むクラッド層２２の表面を、例えばプラズマ処理により活性化した後、半導体基板４４を反転させて、半導体層１１と光導波路２１を含むクラッド層２２を接触させ、不活性ガス中で熱処理して、半導体基板２０と半導体基板４４を直接接合する。
【００５８】
次に、図６（ｃ）に示すように、ウェットエッチングにより半導体基板４４、バッファ層を除去し、エッチングストップ層を露出させる。更に、エッチング液を変更して露出したエッチングストップ層を除去する。これにより、半導体層１１が光導波路２１を含むクラッド層２２上に残置される。
【００５９】
次に、図７（ａ）に示すように、半導体層１１をリング状に加工する。具体的には、例えば下記のように行う。フォトリソグラフィ法により、外径が１０μｍ、内径が５μｍのリング状のマスク材（図示せず）を形成し、マスク材を用いてＲＩＥ法により第１コンタクト層１５ａが露出するまで半導体層１１を異方性エッチングする。
【００６０】
次に、図７（ｂ）に示すように、半導体層１１が直接接合された半導体基板２０に酸化処理を施す。酸化処理は、例えば温度４００℃〜５００℃で、水蒸気雰囲気中、酸素雰囲気中、または大気中でおこなう。
【００６１】
このとき、Ａｌ組成比により酸化速度が決まり、Ａｌ組成比の高い第１および第２クラッド層１４ａ、１４ｂが選択的に酸化される。これにより、第１および第２クラッド層１４ａ、１４ｂの外周側壁および内周側壁を第１および第２改質層１４ｃ、１４ｄに改質する。同時に、電流狭窄構造が形成される。
【００６２】
通常、結晶の面方位により酸化速度が異なり、（１００）面が最も酸化速度が遅く、（１１０）面、（１１１）面の順に酸化速度が速くなる。
【００６３】
その結果、リング状の第１および第２クラッド層１４ａ、１４ｂの外周側壁および内周側壁は、その面方位によって改質層の幅が若干変化する。半導体層１１の外径が小さいほどその影響が大きくなる。従って、改質した後に目的の円形状となるように、改質前の半導体層の外形を適宜定めておくことが望ましい。
【００６４】
次に、図７（ｃ）に示すように、第１コンタクト層１５ａ上に、半導体層１１と同心のリング状の第１電極１７を形成する。
【００６５】
次に、図８（ａ）に示すように、半導体層１１および第１電極１７を埋め込む絶縁膜１８、例えばＣＶＤ法によるシリコン酸化膜を形成し、ＣＭＰ法により第２コンタクト層１５ｂが露出するまでシリコン酸化膜を除去する
次に、図８（ｂ）に示すように、露出した第２コンタクト層１５ｂの上面の内周部および半導体層１１の内側を埋め込む絶縁膜１８上に、円板状の第２電極１９を形成する。
【００６６】
これにより、図１に示す半導体基板２０に設けられた光導波路２１と光学的に結合し、半導体基板２０に搭載された半導体レーザ１０が得られる。
【００６７】
以上、説明したように、本実施例の半導体レーザ１０では、第１および第２クラッド層１４ａ、１４ｂの外周側壁および内周側壁を選択的に改質し、第１および第２改質層１４ｃ、１４ｄを形成している。
【００６８】
第１および第２改質層１４ｃ、１４ｄは、第１および第２クラッド層１４ａ、１４ｂより屈折率が低く、且つ平滑で加工ダメージフリーの界面が得られる。その結果、光共振器として側壁での散乱による光損失の低減、界面トラップ準位や界面再結合によるキャリア損失の低減を図ることができる。
【００６９】
更に、第１および第２改質層１４ｃ、１４ｄは、電気的な絶縁性を有しているので、電流狭窄構造が同時に形成される。その結果、活性層の周回モードが存在する領域へ電流を選択的に注入することができるので、周回モードへの利得を増大させることができる。従って、外形が円形状であり、十分なレーザ発振特性を有する半導体レーザが得られる。
【００７０】
ここでは、第１および第２電極１７、１９が半導体層１１側に引き出されている場合について説明したが、半導体基板２０側に引き出すことも可能である。図９は第１および第２電極が半導体基板２０側に引き出された別の半導体レーザを示す断面斜視図である。
【００７１】
図９に示すように、半導体レーザ５０では、第１電極５１はクラッド層２２に埋め込まれて第１コンタクト層１５ａの半導体基板２０側に形成されている。第１電極５１はクラッド層２２に埋め込まれたコンタクトメタル５２および半導体基板２０を貫通するビア５３を介して半導体基板２０側に引き出されている。
【００７２】
第２電極１９は、絶縁膜１８を貫通して突出した片持ち梁状の金属ポスト５４、クラッド層２２に埋め込まれたコンタクトメタル５５および半導体基板２０を貫通するビア５６を介して半導体基板２０側に引き出されている。
【００７３】
これによれば、半導体レーザ５０を配線基板にフリップチップ実装することができる利点がある。
【００７４】
半導体レーザ１０が、半導体基板２０に設けられた光導波路２１と光学的に結合している場合について説明したが、半導体レーザ側に設けられた光導波路と光学的に結合させることも可能である。図１０は半導体レーザ側に設けられた光導波路と光学的に結合する別の半導体レーザを示す断面斜視図である。
【００７５】
図１０に示すように、半導体レーザ６０では、半導体レーザ６０側に光導波路６１が設けられている。半導体層１１をリング状に加工した後、リング状の半導体層１１をシリコン酸化膜で埋め込み、シリコン酸化膜上に光導波路６１を形成する。
【００７６】
半導体層１１の活性層１２は、活性層１２と光導波路６１の間の距離が半導体レーザ１０における活性層１２と光導波路２１の間の距離と略等しくなるように、光導波路６１側にシフトして形成さている。
【００７７】
これによれば、半導体レーザの上下に設けられた２つの光導波路に光出力を分配することもできる利点がある。
【００７８】
素子が形成されていない半導体基板２０に半導体レーザ１０を搭載した場合について説明したが、素子が形成されている半導体基板に搭載することも可能である。図１１は素子が形成されている半導体基板に搭載された半導体レーザを示す断面斜視図である。
【００７９】
図１１に示すように、半導体基板７１に複数のトランジスタ７２、例えばＣＭＯＳトランジスタを有するトランジスタ層７３が形成されている。半導体基板７１上に複数のメタル配線７４を有するメタル配線層７５が形成されている。半導体レーザ７０は、第１および第２電極５１、１９が半導体基板７１側に引き出され、半導体基板７１に搭載されている。
【００８０】
光導波路２１が設けられる半導体基板２０として、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いることができる。この場合は、ＳＯＩ基板の埋め込み絶縁膜（ＳｉＯ２）をクラッド層２２の一部とし、ＳＯＩ基板のシリコン層をストライプ状に加工して光導波路２１とする。
【００８１】
活性層１２は、ＧａＡｓ基板上のＧａＩｎＮＡｓ多重量子井戸層、ＩｎＰ基板上のＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸層、ＧａＳｂ基板上のＡｌＧａＡｓＳｂ多重量子井戸層、ＧａＡＳ基板上のＩｎＧａＡｌＰ多重量子井戸層、ＧａＮ基板上のＩｎＧａＮ多重量子井戸層なども可能である。
【００８２】
リングの形状は、円形状に限定されず、楕円形状、直線と曲線を組み合わせたリング形状なども可能である。光導波路２１の幅、リング形状の周長なども任意であり、目的に応じて適宜定めれば良い。
【００８３】
半導体レーザは、第１電極が負電極、第２電極か正電極となるＮアップ構造のだけでなく、第１電極が正電極、第２電極か負電極となるＰアップ構造とすることも可能である。
【実施例２】
【００８４】
本発明の実施例２に係る半導体レーザについて図１２を用いて説明する。図１２は本実施例の半導体レーザを示す断面図である。本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。本実施例が実施例１と異なる点は、第１クラッド層は内周側壁を選択的に改質し、第２クラッド層は外周側壁を選択的に改質したことにある。
【００８５】
即ち、図１２に示すように、本実施例の半導体レーザ８０では、第１クラッド層１４ａは、リングの内周側壁が熱酸化法により第１クラッド層１４ａの屈折率より低い屈折率を有する改質層１４ｃに改質されている。従って、第１クラッド層１４ａは、内周部の改質層１４ｃを除く外周部が本来の第１クラッド層として機能する。
【００８６】
一方、第２クラッド層１４ｂは、リングの外周側壁が熱酸化法により第２クラッド層１４ｂの屈折率より低い屈折率を有する改質層１４ｄに改質されている。従って、第２クラッド層１４ｂは、外周部の改質層１４ｄを除く内周部が本来の第２クラッド層として機能する。
【００８７】
第１および第２改質層１４ｃ、１４ｄは、１２活性層を挟むようにオーバラップしている。これにより、活性層１２には内周側から電流が流入し、電流が活性層１２に沿って横方向に流れ、外周側から電流が流出する電流狭窄構造が形成されている。電流が活性層１２に沿って横方向に流れる横注入法によれば、光も中央部に強く閉じ込めることが可能である。
【００８８】
図１３は半導体レーザ８０の光強度分布のシミュレーション結果を示す図である。光強度分布は、半導体層１１の断面での周回モードの光強度分布を示している。
【００８９】
光の大部分が、電流狭窄されて電流が横方向に流れる活性層１２の中央部に強く閉じ込められていることが確かめられた。
【００９０】
また、光の一部はリング状の半導体層１１の下面からクラッド層２２に染み出しているので、光導波路２１を適切に配置することにより、光導波路２１に対する光結合効率が向上し、光導波路２１への光取り出しが容易になることが確かめられた。
【００９１】
図１４は半導体レーザ８０の発振特性を比較例と対比して示す図である。ここで、比較例とは実施例１に示す半導体レーザ１０のことである。
【００９２】
図１４に示すように、本実施例の半導体レーザ８０では、レーザ発振の閾値Iｔｈが約０．３ｍＡと、比較例と同程度である。一方、光出力は入力電流に対して直線的に増加し、光出力特性は約０．４２ｍＷ／ｍＡと、比較例より約１．６倍高い値を示した。これにより、更に十分なレーザ発振特性を有する半導体レーザを得ることが可能である。
【００９３】
次に、半導体レーザ８０の製造方法について説明する。図１５乃至図１７は半導体レーザ８０の製造工程を順に示す断面図である。
【００９４】
始に、図５および図６に示す工程に従い、光導波路２１を含むクラッド層２２上に半導体層１１を形成する。
【００９５】
次に、図１５（ａ）に示すように、半導体層１１の第２コンタクト層１５ｂ上に直径が略１０μｍの円形状のマスク材８２を形成する。マスク材８２は、例えばＣＶＤ法によるシリコン酸化膜、またはシリコン窒化膜である。
【００９６】
次に、マスク材８２を用いて、例えばＲＩＥ法により第２クラッド層１４ｂの途中まで異方性エッチングして、円板状の凸部８３を形成する。凸部８３の外周がリング状の半導体層１１の外周に相当する。
【００９７】
次に、図１５（ｂ）に示すように、一旦マスク材８２を除去した後、再度露出した第２クラッド層１４ｂ上および凸部８３の上面および側面を覆うように、即ちコンフォーマルにマスク材８２ａを形成する。マスク材８２ａには、凸部８３の中央部に直径が略５μｍで、凸部８３の外周と同心状の開口を形成する。
【００９８】
次に、マスク材８２ａを用いて、例えばＲＩＥ法により第１クラッド層１４ａの途中まで異方性エッチングし、凹部８４を形成する。凹部８４の内周がリング状の半導体層１１の内周に相当する。即ち、同心状に凸部８３と凹部８４を形成することにより、半導体層１１は外周側壁と内周側壁の高さが異なるリング状に加工される。
【００９９】
次に、図１５（ｃ）に示すように、一旦マスク材８２ａを除去した後、再度第２クラッド層１４ａ上および凸部８３の上面および側面、凹部８５の底面および側面にコンフォーマルにマスク材８２ｂを形成する。
【０１００】
次に、図１６（ａ）に示すように、マスク材８２ｂを、例えばＲＩＥ法により異方性エッチングして、凸部８３の上面および凹部８５の底面のマスク材８２ｂを除去し、凸部８３の側面および凹部８５の側面のマスク材８２ｂを残置する。これにより、第２コンタクト層１５ｂ、第１および第２クラッド層１４ａ、１４ｂの上面が露出する。
【０１０１】
次に、図１６（ｂ）に示すように、第１および第２クラッド層１４ａ、１４ｂを上面から選択的に熱酸化する。酸化は第１および第２クラッド層１４ａ、１４ｂの上面から下方および側方へと進行する。
【０１０２】
その結果、第１クラッド層１４ａでは、内周側壁が改質されて、第１改質層１４ｃが形成され、第２クラッド層１４ｂでは、外周側壁が改質されて、第２改質層１４ｄが形成される。活性層１２がオーバラップした電気的に絶縁性の第１および第２改質層１４ｃ、１４ｄで挟まれて、横方向の電流狭窄構造が形成される。
【０１０３】
次に、図１６（ｃ）に示すように、リング状の半導体層１１が埋め込まれるように、絶縁膜８５、例えばＣＶＤ法によるシリコン酸化膜を形成する。
【０１０４】
次に、図１７（ａ）に示すように、第２コンタクト層１５ｂ上の絶縁膜８５にリング状の開口を形成して、第２コンタクト層１５ｂを露出させる。次に、第２電極１９を第２コンタクト層１５ｂ上および半導体層１１の内側を埋め込む絶縁膜８５上に形成する。
【０１０５】
次に、図１７（ｂ）に示すように、半導体層１１の外側の絶縁膜８５にリング状の開口を形成して、第１コンタクト層１５ａを露出させる。次に、第１コンタクト層１５ａ上に、半導体層１１と同心のリング状の第１電極１７を形成する。
【０１０６】
これにより、図１２に示す半導体基板２０に設けられた光導波路２１と光学的に結合し、半導体基板２０に搭載された半導体レーザ８０が得られる。
【０１０７】
以上説明したように、本実施例の半導体レーザ８０では、第１クラッド層１４ａの内周側壁を改質して第１改質層１４ｃを形成し、第２クラッド層１４ｂの外周側壁を改質して第２改質層１４ｄを形成している。
【０１０８】
その結果、活性層１２が、オーバラップした電気的に絶縁性の第１および第２改質層１４ｃ、１４ｄで挟まれた横方向の電流狭窄構造が形成されるので、更にレーザ発振特性を向上させることができる利点がある。
【０１０９】
ここでは、第１クラッド層１４ａの内周側壁および第２クラッド層１４ｂの外周側壁を改質する場合について説明したが、第１クラッド層１４ａの外周側壁および第２クラッド層１４ｂの内周側壁を改質することも可能である。図１８は第１クラッド層１４ａの外周側壁および第２クラッド層１４ｂの内周側壁を改質した半導体レーザ９０を示す断面図である。
【０１１０】
また、第１および第２クラッド層の材質が異なり、第２クラッド層の側壁が選択的に改質できない場合がある。その場合でも、本実施例の電流狭窄構造を適用することが可能である。
【０１１１】
例えば、半導体層がＩｎＰ（第１コンタクト層）、ＩｎＡｌＡｓ（第１クラッド層）、ＩｎＧａＡｓＰ（第１光閉じ込め層）、ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸（活性層）、ＩｎＧａＡｓＰ（第２光閉じ込め層）、ＩｎＰ（第２クラッド層）、ＩｎＧａＡｓ（第２コンタクト層）を有する場合である。ＩｎＡｌＡｓ（第１クラッド層）は選択的に酸化されるが、ＩｎＰ（第２クラッド層）は選択的に酸化されない。
【０１１２】
この場合、ＩｎＰ（第２クラッド層）は、予め外周部をエッチングにより除去し、ＩｎＡｌＡｓ（第１クラッド層）は、図１６（ｂ）に示す工程で内周側壁を選択的に改質することにより、横方向の電流狭窄構造を形成することができる。外周部が予め除去されたＩｎＰ（第２クラッド層）は、選択成長により形成することも可能である。
【実施例３】
【０１１３】
本発明の実施例３に係る半導体レーザについて図１９を用いて説明する。図１９は本実施例の半導体レーザを示す断面図である。本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。本実施例が実施例１と異なる点は、半導体層をディスク状としたことにある。
【０１１４】
即ち、図１９に示すように、本実施例の半導体レーザ１００では、半導体層１１はディスク状であり、第１および第２クラッド層１４ａ、１４ｂの側壁が選択的に酸化され、第１および第２改質層１４ｃ、１４ｄが形成されている。
【０１１５】
ディスク状の半導体レーザ１００では、光は第１および第２クラッド層１４ａ、１４ｂと第１および第２改質層１４ｃ、１４ｄの界面で全反射されながらディスクの外周に沿って周回する。
【０１１６】
従って、実施例１に示す半導体レーザ１０と同様に、光共振器として側壁での散乱による光損失の低減、界面トラップ準位や界面再結合によるキャリア損失の低減を図ることができる。
【０１１７】
以上説明したように、本実施例の半導体レーザ１００では、第１および第２クラッド層１４ａ、１４ｂの側壁を改質して、第１および第２改質層１４ｃ、１４ｄを形成しているので、側壁のラスネスによる光損失およびダメージによるキャリア損失を低減できる利点がある。
【０１１８】
また、ディスク状の半導体レーザ１００において、電流狭窄構造を付加することも可能である。図２０は電流狭窄構造を付加したディスク状の半導体レーザを示す断面図である。
【０１１９】
図２０に示すように、半導体レーザ１１０では、第１および第２クラッド層１４ａ、１４ｂの中央部１１１が電気的な絶縁性を有する第３および第４改質層１４ｅ、１４ｆに改質されている。
【０１２０】
第１クラッド層１４ａが第１および第３改質層１４ｃ、１４ｅに挟まれ、第２クラッド層１４ｂが第２および第４改質層１４ｄ、１４ｆに挟まれることにより、縦方向の電流狭窄構造が付加される。
【０１２１】
第３および第４改質層１４ｅ、１４ｆは、第１および第２クラッド層１４ａ、１４ｂの中央部１１１に、例えばアルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）などの不活性元素をイオン注入することにより行なう。イオン注入は、第１および第２改質層１４ｃ、１４ｄを形成した後に行なうが、第１および第２改質層１４ｃ、１４ｄを形成する前に行なうことも可能である。
【０１２２】
第１および第２クラッド層１４ａ、１４ｂに挟まれた活性層１２、第１および第２光閉じ込め層１３ａ、１３ｂもイオン注入されるので、必然的に第５改質層１１２に改質される。
【０１２３】
上述した実施形態は、単に例として示したもので、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。実際、ここにおいて述べた新規な半導体レーザは、種々の他の形態に具体化されても良いし、さらに、本発明の主旨又はスピリットから逸脱することなくここにおいて述べた半導体レーザの形態における種々の省略、置き換えおよび変更を行っても良い。付随する請求項およびそれらの均等物は、本発明の範囲および主旨又はスピリットに入るようにそのような形態若しくは変形を含むことを意図している。
【符号の説明】
【０１２４】
１０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０  半導体レーザ
１１  半導体層
１２  活性層
１３ａ  第１光閉じ込め層
１３ｂ  、第２光閉じ込め層
１４ａ  第１クラッド層
１４ｂ  第２クラッド層
１４ｃ  第１改質層
１４ｄ  第２改質層
１５ａ  第１コンタクト層
１５ｂ  第２コンタクト層
１７、５１  第１電極
１９  第２電極
１８、８５  絶縁膜
２０、４４、７１  半導体基板
２１、６１  光導波路
２２  クラッド層
２３  光強度分布
３１  外周側壁
３２  内周側壁
４１、４３  シリコン酸化膜
４２  シリコン層
５２、５５  コンタクトメタル
５３、５６  ビア
５４  金属ポスト
７２  トランジスタ
７３  トランジスタ層
７４  層間絶縁膜
７５  メタル配線層
８２、８２ａ、８２ｂ  マスク材
８３  凸部
８４  凹部
１１１  中央部
１４ｅ  第３改質層
１４ｆ  第４改質層
１１２  第５改質層
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0005209010.tif 000007
【図８】
0005209010.tif 000008
【図９】
0005209010.tif 000009
【図１０】
0005209010.tif 000010
【図１１】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１５】
0005209010.tif 000014
【図１６】
0005209010.tif 000015
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
0005209010.tif 000018
【図２０】
0005209010.tif 000019
【図３】
0005209010.tif 000020
【図１３】
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